Exercise 4.12Z: 4-QAM Systems again

[[File:P_ID1724__Mod_Z_4_11.png|right|frame|Phase diagrams for 4–QAM, ideal and with degradations]

Graph $\rm (A)$ shows the phase diagram of the 4-QAM after the matched filter, where an optimal realization form was chosen in the case of AWGN noise under the constraint of "peak limiting":

rectangular fundamental transmision pulse of symbol duration $T$,
rectangular impulse response of the matched filter of the same width $T$.

All phase diagrams presented here - both $\rm (A)$ and $\rm (B)$ and $\rm (C)$ - refer to the detection time points only. Thus, the transitions between the individual discrete-time points are not plotted in this phase diagram.

An AWGN channel with $10 · \lg E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ is present.
Accordingly, for the bit error probability of the first system considered $\rm (A)$ :

$$p_{\rm B} = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )\hspace{0.05cm}.$$

Phase diagrams $\rm (B)$ and $\rm (C)$ belong to two systems where the 4-QAM was not optimally realized. AWGN noise with $10 · \lg E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ is also assumed in each of these.

Hints:

This exercise belongs to the chapter Quadrature Amplitude Modulation.
Particular reference is made to the page Phase offset between transmitter and receiver in the book "Digital Signal Transmission".
Causes and Effects of impulse interference are explained in the section with the same name of the book "Digital Signal Transmission".
The crosses in the graphs mark possible points in the phase diagrams if no AWGN noise were present.
The point clouds due to the AWGN noise all have the same diameter. The red cloud appears slightly smaller than the others only because "red" is harder to see on "black".

As a sufficiently goodapproximation for the complementary Gaussian error integral, you can use:

$${\rm erfc}(x) \approx \frac{1}{\sqrt{\pi}\cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2}.$$

Questions

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-5}$

	There is a phase offset between the transmitter and receiver.
	The receiver filter results in pulse interference.
	There is no degradation compared to system $\rm (A)$.

	There is a phase offset between the transmitter and receiver.
	The receiver filter results in pulse interference.
	There is no degradation compared to system $\rm (A)$.

	All three systems have the same bit error probability.
	The error probability of system $\rm (A)$ is the smallest.
	System $\rm (B)$ has a larger bit error probability than system $\rm (C)$.

Solution

(1) Aus der Angabe $10 · \lg E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ folgt ${E_{\rm B}}/{N_0} = 10^{0.9}\approx 7.95 \hspace{0.05cm}.$

Mit der angegebenen Näherung gilt weiter:

$$p_{\rm B} = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \approx \frac{1}{2 \cdot\sqrt{\pi \cdot{E_{\rm B}}/{N_0}} } \cdot {\rm e}^{-{E_{\rm B}}/{N_0}} = {1}/{2 \cdot\sqrt{7.95 \cdot \pi }} \cdot {\rm e}^{-7.95}\approx \hspace{0.15cm}\underline {3.5 \cdot 10^{-5}\hspace{0.05cm}}.$$

Der exakte Wert $p_{\rm B}\hspace{0.15cm}\underline { = 3.3 · 10^{–5}}$ ist nur geringfügig kleiner.

(2) Richtig ist der Lösungsvorschlag 1:

Aufgrund eines Phasenversatzes um $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$ wurde das Phasendiagramm gedreht, was zu einer Degradation führt.
Die beiden Komponenten $\rm I$ und $\rm Q$ beeinflussen sich zwar gegenseitig, es gibt aber keine Impulsinterferenzen wie bei System $\rm (C)$.
Ein "Nyquistsystem" führt niemals zu Impulsinterferenzen.

(3) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2:

Insbesondere an den jeweils neun Kreuzen in jedem Quadranten des Phasendiagramms $\rm (C)$, die den rauschfreien Fall markieren, erkennt man den Einfluss von Impulsinterferenzen.
Anstelle des optimalen Empfangsfilters für rechteckförmigem Sendegrundimpuls $g_s(t)$ ⇒ rechteckförmige Impulsantwort $h_{\rm E}(t)$ wurde hier ein Gaußtiefpass mit der (normierten) Grenzfrequenz $f_{\rm G} · T = 0.6$ verwendet.
Dieser bewirkt Impulsinterferenzen. Auch ohne Rauschen gibt es in jedem Quadranten neun Kreuze, die auf je einen Vor– und Nachläufer pro Komponente hinweisen.

(4) Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

Die Systeme $\rm (B)$ und $\rm (C)$ sind nicht optimal. Daraus ist bereits ersichtlich, dass die Aussage 1 nicht zutrifft.
Dagegen ist die Aussage 2 richtig. Jedes 4–QAM–System, das dem Matched–Filter–Prinzip folgt und zusätzlich die erste Nyquistbedingung erfüllt, besitzt die vorne angegebene Fehlerwahrscheinlichkeit

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ).$$

Die so genannte „Wurzel–Nyquist–Konfiguration”, die zum Beispiel in der Aufgabe 4.12 behandelt wurde, hat somit die genau gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie das System $\rm (A)$ und zu den Detektionszeitpunkten auch das gleiche Phasendiagramm. Die Übergänge zwischen den einzelnen Punkten sind jedoch unterschiedlich.
Auch die dritte Aussage ist zutreffend. Man erkennt bereits aus dem Phasendiagramm von System $\rm (B)$ Fehlentscheidungen und zwar immer dann, wenn Punkte farblich nicht zu den Quadranten passen.

Die Fehlerwahrscheinlichkeiten von System $\rm (B)$ und System $\rm (C)$ werden im Buch „Digitalsignalübertragung” hergeleitet. Die Ergebnisse einer Systemsimulation bestätigen die obigen Aussagen:

System $\rm (A)$: $p_{\rm B} ≈ 3.3 · 10^{–5}$ (siehe Teilaufgabe 1),
System $\rm (B)$: $p_{\rm B} ≈ 3.5 · 10^{–2}$,
System $\rm (C)$: $p_{\rm B} ≈ 2.4 · 10^{–4}$.